Проблемы строительства горизонтальных скважин
Практика показала, что больше всего влияют на эффективность применения технологии разработки залежей углеводородов ГС технологии первичного и вторичного вскрытия, освоения продуктивных пластов — особенно в условиях низкого пластового давления. Качественное вскрытие продуктивных пластов является одной из ключевых проблем продуктивности скважин и эффективности извлечения углеводородов. Кроме геологических причин это в большой степени зависит от существующих технологий вскрытия пластов, которые не обеспечивают сохранения коллекторских свойств нефтегазового пласта в области, прилегающей к стволу скважины. Анализ фактических данных об ухудшении продуктивности скважин [97, 141] показывает существенное ее снижение в процессе вскрытия. Производительность 50 % всех исследуемых пластов более чем в 2 раза меньше их природных возможностей, 25 % — более чем в 4 раза и 10 % — более чем в 10 раз.
Горизонтальные стволы скважин, пробуренные на десятки и сотни метров по простиранию пластов, вскрывают в неоднородных эксплуатационных объектах несколько участков с различной проницаемостью, что существенно повышает дебит скважин и извлечение запасов нефти и газа. В то же время накопленный промысловый опыт свидетельствует о более низкой, по сравнению с расчетной, эффективности применения ГС. Анализ показывает [17], что по основным нефтегазодобывающим районам России только по 71,5 % имеющегося фонда ГС отмечено увеличение среднегодовых дебитов нефти по сравнению с вертикальными.
При эксплуатации ГС возникают проблемы проведения геолого-технических мероприятий по горизонтальному стволу. Следовательно, конструкция хвостовика обсадной колонны должна соответствовать требованиям надежной изоляции заколонного пространства в продуктивной части по простиранию пласта во избежании заколонных перетоков, «задавливания» одной области пласта другой. Таким образом, появляется возможность для проведения поинтервальных работ по интенсификации притока, проведения ремонтно-изоляционных работ и т.д. Кроме того, конструкция скважины должна соответствовать требованиям, предъявляемым для организации ГТМ и вторичных методов разработки залежей углеводородов [48, 114, 180, 239]. В настоящее время технологии бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, позволяющие сократить длину необсажен-ного участка ствола в продуктивном пласте без заметной потери продуктивности, появляются как у нас, так и за рубежом [45, 53, 264].
Глава 6 Аварии и осложнения при строительстве скважин
Осложнения – это нарушение непрерывности технологического процесса строительства (бурения и заканчивания) скважины при соблюдении технического проекта и правил ведения буровых работ, вызванное горно-геологическими условиями проходимых пород. К осложнениям относят:
— поглощения бурового или тампонажного растворов;
— затяжки и посадки бурового инструмента при спускоподъемных операциях;
Поглощение в скважинах буровых растворов и других жидкостей является одним из основных видов осложнений. Поглощение бурового раствора в скважинах обусловливается проницаемостью, пористостью, прочностью коллектора, пластовым давлением, объемом закачиваемого бурового раствора и его качеством. При превышении давления в стволе скважины над давлением в пласте, вскрытом при бурении, раствор из скважины, преодолевая местные гидравлические сопротивления, будет проникать в поры, каналы и трещины пород. Снижение давления в скважине по сравнению с пластовым приводит к движению жидкости из пласта в скважину, т.е. к нефтегазоводопроявлениям. Поэтому один и тот же пласт может быть поглощающим или проявляющим. Обычно интенсивность поглощения оценивают объемом (в м3) бурового раствора, уходящего в пласт в течение 1 ч, т.е. в м3/ч. В настоящее время различают три категории интенсивности поглощений проницаемыми пластами:
—малой интенсивности (до 10-15 м3/ч),
—средней интенсивности (до 40-60 м3/ч)
—высокоинтенсивные (более 60 м3/ч).
Среди высокоинтенсивных поглощений выделяют так называемые «катастрофические поглощения», к которым в настоящее время относят поглощения, не ликвидируемые обычными способами. Интервалы с такими поглощениями, как правило, перекрывают обсадными колоннами.
Для предупреждения поглощения применяют следующие методы:
1. промывка облегченными жидкостями;
3. повышение структурно-механических свойств промывочной жидкости (добавкой жидкого стекла, поваренной соли, извести и т.п.).
К мероприятиям, позволяющим избежать газо-, нефте- и водопроявлений, относятся:
1. правильный выбор плотности промывочной жидкости;
2. предотвращение понижения ее уровня при подъеме колонны бурильных труб и при поглощении жидкости.
Обвалы (осыпи) происходят при прохождении уплотненных глин, аргиллитов или глинистых сланцев. В результате увлажнения промывочной жидкостью или ее фильтратом снижается предел прочности уплотненной глины, аргиллита или глинистого сланца, что ведет к обрушению (осыпям) стенок скважины и часто к прихватам бурильного инструмента или обсадной колонны.
Характерными признаками обвалов являются:
1. значительное повышение давления на выкиде буровых насосов;
2. резкое повышение вязкости промывочной жидкости;
3. вынос ею большого количества обломков обвалившихся пород и т.п.
Желобообразование может происходить при прохождении любых пород, кроме очень крепких. Основные причины желобообразования — большие углы перегиба ствола скважины, большая масса единицы длины бурильной колонны, большая площадь контакта бурильных труб с горной породой. Особенно часто желоба вырабатываются при проводке искривленных и наклонно направленных скважин. Характерные признаки образования в скважине желоба — проработки, посадки, затяжки, прихваты, а также заклинивание бурильных и обсадных труб.
Растворение происходит при прохождении соляных пород. Соляные породы, слагающие стенки скважины, растворяются под действием потока жидкости. Характерным признаком растворения соляных пород является интенсивное кавернообразование, что в особо тяжелых случаях приводит к потере ствола скважины.
Искривление скважин при бурении вертикальных скважин вращательным способом часто встречается самопроизвольное искривление скважин,т.е. отклонение их ствола от вертикального. Искривление вертикальных скважин влечет за собой ряд проблем: нарушение запланированной сетки разработки нефтяных и газовых месторождений, повышенный износ бурильных труб, ухудшение качества изоляционных работ, невозможность использования штанговых насосов при эксплуатации скважин и т.д.
Несмотря на то, что осложнения считаются, в сущности, ожидаемой ситуацией и для их преодоления предусмотрены технологические приемы, иногда они переходят в категорию аварий. Нефтегазоводопроявление переходит в открытое фонтанирование (потеря контроля над скважиной), затяжки и посадки бурового инструмента приводят к его прихвату, поглощение бурового промывочного или тампонажного растворов приводят к прихвату бурового инструмента (обсадной колонны) или в худшем случае к открытому фонтанированию. Обвалы (осыпи), растворение, набухание, ползучесть, желобообразование могут привести к прихвату бурового инструмента или обсадной колонны. Обычно такие ситуации возникают из-за халатного отношения к осложнениям производителей буровых работ или из-за их низкой квалификации. В ряде случаев, особенно при бурении первых разведочных скважин, аварийные ситуации возникают из-за недостаточной изученности вскрываемого скважиной разреза горных пород. В Проекте скважины и в Геолого-техническом наряде указаны виды ожидаемых осложнений и глубина (интервалы) скважины, где они возможны.
Проблемы строительства горизонтальных скважин
А.В. Кустышев, Гейхман М.Г., Матиешин И.С.
ОСОБЕННОСТИ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА
ИЗ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт Нефти и Газа
А.В. Кустышев, Гейхман М.Г., Матиешин И.С.
ОСОБЕННОСТИ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА
ИЗ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН
Для студентов очной и заочной формы обучения
«Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»
специализации «Капитальный ремонт скважин»
под научной редакцией доктора технических наук, профессора,
Почетного работника высшего профессионального образования РФ
А.В. Кустышев, Гейхман М.Г., Матиешин И.С.Особенности добычи нефти и газа из горизонтальных скважин: Учебное пособие.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2007.- 124 с.
Рассматривается история нефтегазодобычи с применением горизонтальных скважин, вопросы подготовки их к эксплуатации, исследование горизонтальных скважин, технологии воздействия на залежь и призабойную зону пласта, излагаются основы теории подъема жидкости из горизонтальных скважин, особенности их эксплуатации и ремонта в России и зарубежом.
Для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» со специализацией «Капитальный ремонт скважин».
Монография полезна инженерно-техническим работникам, занимающимся вопросами добычи нефти и газа и ремонтом нефтяных и газовых скважин.
Ил. 21, табл. 6, библ. назв.
Грачев С.И., доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений» ТюмГНГУ;
Рогачев М.К, доктор технических наук, профессор, зав.кафедрой «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
Условное сокращение | Расшифровка сокращений |
ГС | Горизонтальная скважина |
РГС | Разветвленная горизонтальная скважина |
ЦКР | Центральная комиссия по разработке |
ВС | Вертикальная скважина |
ННС | Наклонно-направленная скважина |
УБТ | Утяжеленные бурильные трубы |
РИР | Ремонтно-изоляционные работы |
КНБК | Компоновка низа буровой колонны |
ЗД | Забойный двигатель |
ОЦЭ | Опорно-центрирующий элемент |
ПЗП | Призабойная зона пласта |
ГРП | Гидравлический разрыв пласта |
ПВО | Противовыбросовое оборудование |
СПО | Спуско-подъемные операции |
БГС | Боковой горизонтальный ствол |
БДТ | Безмуфтовая длинномерная труба |
КВД | Кривая восстановления давления |
ПВК | Полевой вычислительный комплекс |
ППД | Поддержание пластового давления |
ПАВ | Поверхностно-активные вещества |
АГДМ | Акустико-гидродинамический метод |
КНС | Кустовая насосная станция |
СКО | Соляно-кислотная обработка |
ВВ | Взрывчатое вещество |
ГЖС | Газожидкостная смесь |
МГС | Многозабойная горизонтальная скважина |
УЭЦН | Установка электроприводная центробежная нефтяная |
УШСН | Установка штанговая скважинная нефтяная |
УЭВН | Установка электроприводная винтовая нефтяная |
ШГН | Штанговый глубинный насос |
СК | Станок-качалка |
ПЭД | Погружной электродвигатель |
КРБК | Кабель резиновый бронированный круглый |
МРП | Межремонтный период |
КРС | Капитальный ремонт скважин |
ПГИ | Промыслово-геофизические исследования |
ТЭК | Топливно-энергетический комплекс |
Разработка нефтегазовых месторождений системами горизонтальных скважин
История возникновения
История возникновения и применения горизонтальных скважин (ГС) для повышения нефтеотдачи пластов и темпов разработки месторождений насчитывает более 50 лет. Ранее к этому прибегали тогда, когда другие методы не достигали цели. При бурении единичных ГС и разветвленных горизонтальных скважин (РГС), как правило, получали положительные результаты. По существу, имелся начальный опыт бурения и эксплуатации отдельных скважин, но не систем скважин.
Начиная с 70-х годов, технологии разработки нефтегазовых месторождений с помощью ГС стали интенсивно развиваться как за рубежом, так и в России. В настоящее время за рубежом насчитывается более 60 фирм, осваивающих эти технологии. Одной из первых является фирма ELJ Agutrane в содружестве с французским институтом нефти JFP AGJP. Так по инициативе JFP в г. Уфе в 1980 г. был проведен советско-французский симпозиум по наклонно направленному и горизонтальному бурению. После этого начался второй этап применения технологий разработки нефтегазовых месторождений горизонтальными скважинами. Уже в 1991 – 1992 годах в России было пробурено 48 ГС, а из введенных в эксплуатацию добыто 180 тыс. тонн нефти.
Новые технологии, основанные на применении ГС, существенно изменили теорию и практику мировой добычи углеводородов. Дебиты скважин, имеющие горизонтальные окончания большой протяженности, значительно возросли. В результате появилась возможность эксплуатировать месторождения раздельными сетками скважин, снизить депрессии на продуктивные пласты, увеличить продолжительность безводного периода эксплуатации скважин. На некоторых месторождениях запасы нефти, которые считались неизвлекаемые, в настоящее время могут разрабатываться в промышленных масштабах. При этом повысилась эффективность многих «старых» методов воздействия на пласт, значительно повысилось большинство показателей разработки.
За последнее десятилетие технология разработки месторождений с применением ГС нашли применение во многих крупных нефтегазодобывающих районах. Так 1988 год явился началом нового этапа активных работ в области бурения и разработки месторождений ГС в Башкортостане (АНК «Башнефть»). По утвержденным в ЦКР проектным документам здесь было пробурено более 50 ГС на Михайловском, Тытышлинском, Лемезинском, Старцевском месторождениях, а также на опытных участках «старейшего» Арланского месторождения.
В республике Татарстан освоение горизонтальных технологий было начато и активно развивалось в 1967 – 1978 годах бурением ГС на турнейские отложения Сиреневского и Тавельского месторождений. В 1991 – 1995 годах отраслевым институтом ТатНИПИнефть было составлено более 20 проектных документов на разработку месторождений с применением ГС, согласно которым предстояло пробурить 1200 скважин, что составило 40 % от общего их числа. Глубины залегания продуктивных пластов, вскрытых ГС, составили 829 – 1728 м, а вскрываемые толщины изменялись в диапазоне 4 – 40 м.
В ОАО «Удмуртнефть» разработка месторождений с применением ГС осуществляется с 1992 г. Первая ГС была пробурена на Мишкинском месторождении. Плановое опытно – промышленное бурение ГС было начато в 1994 г. В настоящее время пробурено 47 ГС. Положительные результаты получены здесь при бурении ГС на Гремихинском месторождении, залежи которого содержат вязкие и высоковязкие нефти. В более сложных геологических условиях бурились ГС на Южно-Киенгопском месторождении. Верейский горизонт, на который бурились ГС, представлен чередованием терригенных и карбонатных коллекторов с небольшими эффективными толщинами (в среднем 2,9 м). Средний дебит по ГС составил 15 т/сут, что на 10 – 12 т выше, чем дебит из вертикальных скважин. В условиях данного месторождения была доказана возможность получения достаточно больших технико – экономических показателей бурения ГС на продуктивные пласты малой толщины (2 – 3 м).
В ПО «Краснодарнефтегаз» рассмотрены вопросы повышения объемов добычи нефти за счет увеличения производительности малодебитных скважин бурением дополнительных стволов. В объединении накоплен богатый опыт бурения РГС из стволов ранее пробуренных скважин.
В последние десятилетия разработка нефтяных месторождений с помощью ГС стала интенсивно развиваться за рубежом. Резкое увеличение объемов горизонтального бурения и положительные прогнозы вызвали интерес подрядных и сервисных фирм, которые провели реорганизацию своих структур с целью создания отдельных подразделений для работы в этой области. Большинство крупных нефтяных компаний организовали специальные группы (их насчитывают более 60) по развитию новых технологий, связанных с бурением и эксплуатацией ГС.
Известным мировым рекордом для скважин с малым радиусом искривления с интенсивностью набора кривизны до 10° / 10 м является протяженность горизонтального участка ствола, которая составила 372 м в скважине Вега-5, пробуренной фирмой «Селм» у побережья Сицилии.
Промышленное применение горизонтального бурения в Германии началось со второй половины 80–х годов. В 1994 году была основана Ассоциация горизонтального бурения (DCA), занимающаяся координацией исследований по проблемам горизонтального бурения, что привело к существенному удешевлению горизонтального бурения. Следует отметить, что в Германии ГС используются также для прокладки нефте- и газопроводов, электрокоммуникаций и т.д.
Большую эффективность технологии разработки нефтяных месторождений ГС показали на уникальных по величине и продуктивности месторождениях Ближневосточного региона. Пробуренные в Саудовской Аравии, Омане и Египте ГС дают дебиты в 2 – 10 раз выше, чем вертикальные стволы. Кроме того, уменьшается вероятность прорыва водяных и газовых конусов, что способствует более эффективной нефтеотдаче. По мере совершенствования технологии стоимость ГС вплотную приблизилась к стоимости вертикальных скважин.
Проблемы строительства горизонтальных скважин
Для существенного повышения эффективности строительства скважин в нефтегазодобывающей отрасли необходимо приоритетное развитие по пяти наиболее актуальным научно-техническим направлениям [1]:
— строительство стволов ГС и РГС с целью резкого повышения нефтеотдачи пластов;
— забуривание и проведение новых горизонтальных стволов из бездействующих скважин к объектам с повышенной концентрацией остаточных запасов нефти, в том числе для ввода в эксплуатацию простаивающих скважин с повышенным дебитом;
— извлечение из недр запасов нефти (более 60 %) с целью реанимации месторождений, находящихся на поздней стадии разработки;
— строительство ГС и РГС с помощью электробуров с целью повышения эффективности и качества их строительства;
— разобщение пластов при креплении ГС и РГС для повышения нефтегазоотдачи пластов.
Важным направлением повышения эффективности применения ГС является максимальное снижение капитальных вложений. Доведение величин капитальных вложений до уровня стран, в которых эти технологии широко применяются (США, Канада, Франция и др.), т.е. до 1,7 – 2,0, что позволит почти в 2,5 раза повысить успешность использования капитальных вложений при строительстве ГС.
Таким образом, к настоящему времени можно выделить области возможного применения ГС, которые в соответствии со способом бурения и в зависимости от используемых технических средств следует разделить на три группы:
— с большим радиусом искривления горизонтальной части ствола относительно вертикального участка;
— со средним радиусом искривления – такие скважины требуют применения специального оборудования (отклонители, УБТ и т.д.), размер и конструкция которых позволяют получать радиусы 40-80 м;
— с малым радиусом искривления – наряду со специальным оборудованием эти скважины предъявляют дополнительные требования к технологии бурения и ориентированию инструмента; основная цель их строительства – восстановление бездействующего фонда скважин.
В области бурения скважин основным направлением работ стало создание технических средств и технологий бурения стволов ГС с минимальным отклонением от расчетной траектории. Сдерживающим фактором в этом области является отсутствие приборов непрерывного контроля траектории проводки, осуществления каротажных работ в процессе входа в пласт и проходки горизонтальной части ствола.
Практика показала, что больше всего влияют на эффективность применения технологии разработки залежей углеводородов ГС, технологии первичного и вторичного вскрытия, освоения продуктивных пластов – особенно в условиях низких пластовых давлений.
Исходя из накопленного опыта изучения проблем бурения вертикальных скважин можно утверждать, что одной из основных причин снижения фактической продуктивности ГС, по сравнению с их потенциальными возможностями, являются техногенные изменения природного состояния нефтегазового пласта в околоскважинных зонах. Однако, использование результатов исследований влияния качества вскрытия пластов на продуктивность скважин, приведенных для ВС, малоперспективно для ГС, так как оно не учитывает существенных различий в формировании околоскважинных зон:
— в отличие от ВС воздействие буровых агентов на продуктивный пласт в ГС осуществляется в течение гораздо более длительного периода;
— ГС вскрывают геологические неоднородности разного масштабного уровня – от отдельных неоднородных включений до неоднородности, связанной с геологическим строением залежи;
— технологии бурения, заканчивания и испытания ГС несколько иные, чем для ВС, что обуславливает специфику воздействия на околоскважинные зоны.
Отсутствие надежных технологий вскрытия, освоения, оценки интервалов притока, интенсификации интервалов притока, проведения геолого-технических мероприятий и ремонтно-изоляционных работ (РИР) в стволах ГС негативно отражается на технико-экономических показателях применения технологий разработки залежей углеводородов с помощью ГС.
Таким образом, при строительстве ГС возникает ряд проблем, решение которых требует дальнейших исследований при внедрении технологий разработки нефтегазовых ГС:
— геологическая неоднородность по простиранию пласта существенно влияет на формирование околоскважинных зон ГС;
— горизонтальное расположение обуславливает асимметрию изменения свойств пласта в околоскважинных зонах;
— относительная вязкость и ограниченная толщина пласта изменяют характер проникновения фильтрата в пласт;
— вдоль ствола ГС происходит перераспределение удельного дебита, в области забоя и устья формируются аномальные концевые эффекты по удельному притоку;
— неоднородность проницаемости вдоль ствола ГС увеличивает дифференциацию по удельному притоку, особенно при поступлении газа;
— локальное нарушение целостности пласта при вскрытии влияет на продуктивность ГС.